粘結(jié)和固化參數(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)性能的影響★

袁琪 盛黎* 董靈相 盛渭慶

(浙江樹人大學(xué)城建學(xué)院，浙江杭州 310015)

0 引言

建筑物由于使用年限的延長(zhǎng)或其他諸如地震災(zāi)害等多種原因造成構(gòu)件強(qiáng)度、剛度不足或開裂、破損等情況屢見不鮮，尤其在我們國(guó)家，建國(guó)初期建成的許多建筑物已經(jīng)到了維修加固的高峰期，其次還有部分建筑由于設(shè)計(jì)不符合使用要求，需要對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或建筑物整體進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)[1，2]。

利用建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑將各種補(bǔ)強(qiáng)材料粘結(jié)在受損構(gòu)件上，是近來應(yīng)用比較廣泛的一類加固方法。但是膠粘劑的膠粘過程是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，粘結(jié)效果不僅取決于膠粘劑本身性能，而且與粘結(jié)工藝、被粘物表面的處理情況、周圍環(huán)境的溫度等因素有關(guān)，因此為了獲得結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)的最佳效果，使結(jié)構(gòu)膠的使用更加科學(xué)有效，有必要對(duì)上述因素的影響進(jìn)行研究，爭(zhēng)取使膠粘劑的使用與這些因素相適應(yīng)。

1 試驗(yàn)原料及儀器

1.1 膠粘劑型號(hào)

本試驗(yàn)采用目前市場(chǎng)上常用的WD-1001型高性能丙烯酸酯AB膠和DY·E-44型環(huán)氧樹脂膠。WD-1001型高性能丙烯酸酯AB膠可廣泛用于鋼材、碳纖維、水泥、木材等同種或異種材料的粘結(jié)，由A，B兩個(gè)組分組成，使用時(shí)兩組分以1∶1配比混合后涂膠，常溫指壓下8 min左右初步固化定位，1 h后就可達(dá)最終強(qiáng)度的70%，24 h后達(dá)到最高強(qiáng)度。DY·E-44型環(huán)氧樹脂膠為淡黃色高粘度透明液體，與固化劑按1∶1混合，固化后尺寸穩(wěn)定性好，粘結(jié)性能優(yōu)異，廣泛用于各種金屬與非金屬的粘合及防水補(bǔ)強(qiáng)材料等。

1.2 儀器設(shè)備

CMT5105型微機(jī)控制高低溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)由深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司生產(chǎn)。

1.3 試樣制備

按照GB/T 7124-2008膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定(剛性材料對(duì)剛性材料)標(biāo)準(zhǔn)制備試樣。首先用工業(yè)酒精擦拭2根25 mm×100 mm的鋼片表面，除去污染物后用砂紙打磨鋼片表面直至出現(xiàn)金屬光澤，將配好的兩種結(jié)構(gòu)膠的A，B混合膠液分別均勻地涂在粘結(jié)面積A=12.5 mm×25 mm上，用金屬線控制膠層厚度分別為0.1 mm，0.2 mm，0.3 mm，0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm，在(23 ±2)℃的環(huán)境溫度下固化7 d，固化壓力為接觸壓，試樣個(gè)數(shù)為6個(gè)，試樣尺寸見圖1。

圖1 試樣尺寸圖

粘結(jié)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的試樣尺寸按照?qǐng)D2制作，首先用工業(yè)酒精擦拭兩塊截面尺寸為40 mm×40 mm，厚度為4 mm的Q235鋼板，除去污染物后用砂紙打磨鋼片表面直至出現(xiàn)金屬光澤，用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)，將配好的兩種結(jié)構(gòu)膠的A，B混合膠液分別均勻地涂在兩塊鋼板上，用金屬線控制膠層厚度分別為0.1 mm，0.2 mm，0.3 mm，0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm，在(23 ±2)℃的環(huán)境溫度下固化7 d，試樣個(gè)數(shù)為6個(gè)，鋼板兩邊中部焊接一段直徑為8 mm的鋼筋用于試驗(yàn)機(jī)夾持端加載。

1.4 測(cè)試方法

在CMT5105型微機(jī)控制高低溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)上以2 mm/min的恒定速度加載，記錄試樣破壞的最大負(fù)荷以及膠接接頭破壞的類型。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膠層厚度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)膠性能的影響

膠接是與被粘結(jié)構(gòu)件和膠粘劑組織結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系的過程。膠接接頭在受到外力作用時(shí)，由于粘附強(qiáng)度和內(nèi)聚強(qiáng)度的不同，其破壞情況有四種形式，即被粘構(gòu)件破壞、膠層內(nèi)聚破壞、界面粘附破壞及混合破壞。

在實(shí)際操作中，如果保證了膠層本身足夠強(qiáng)度的話，就能避免膠層內(nèi)聚破壞，同時(shí)如果保證膠與被膠接構(gòu)件有良好粘附的話，就能避免界面粘附破壞，可能實(shí)現(xiàn)被粘物構(gòu)件破壞。

觀察拉伸剪切和粘結(jié)抗拉試驗(yàn)后各組試樣破壞面，均發(fā)現(xiàn)有膠層殘留在鋼片上，而且殘留膠層比較光滑，鋼片上無膠的地方?jīng)]有結(jié)構(gòu)膠破壞后留下的毛刺，這說明本試驗(yàn)中不同膠層厚度膠接接頭失效模式是以界面粘附破壞為主。由圖3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見當(dāng)膠層厚度非常小時(shí)，隨著膠層厚度的增加，兩種結(jié)構(gòu)膠的拉伸剪切強(qiáng)度均提高，當(dāng)丙烯酸酯AB膠的膠層厚度為0.2 mm，環(huán)氧樹脂膠的膠層厚度為0.3 mm時(shí)，兩種膠的拉伸剪切強(qiáng)度分別達(dá)到最高，但隨著膠層厚度的繼續(xù)增加，兩種結(jié)構(gòu)膠的拉伸剪切強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，膠層越厚，強(qiáng)度值越低，本試驗(yàn)結(jié)論與文獻(xiàn)[3]中試驗(yàn)結(jié)果基本一致。當(dāng)膠層厚度超過1 mm時(shí)，厚度對(duì)強(qiáng)度的影響更為明顯，下降幅度越來越大。由圖4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，當(dāng)丙烯酸酯AB膠的膠層厚度為0.3 mm，環(huán)氧樹脂膠的膠層厚度為0.5 mm時(shí)，兩種膠的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到最高，隨著膠層厚度的繼續(xù)增加，兩種建筑結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，膠層越厚，粘結(jié)抗拉強(qiáng)度值越低。

圖3 不同膠層厚度下結(jié)構(gòu)膠的拉伸剪切強(qiáng)度

圖4 不同膠層厚度下結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度

分析膠層厚度對(duì)拉伸剪切強(qiáng)度和粘結(jié)抗拉強(qiáng)度的影響，粘結(jié)過程中由于種種原因膠層材料本身的結(jié)構(gòu)或界面區(qū)總是存在一些裂縫和其他缺陷，比如表面劃痕、微孔、晶界等。這些裂縫和缺陷會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，使局部區(qū)域所受的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過平均應(yīng)力，當(dāng)局部應(yīng)力超過某一臨界條件時(shí)，裂縫失去穩(wěn)定性并發(fā)生擴(kuò)展，引起破壞。

對(duì)一般材料而言，試樣的尺寸體積、半徑、長(zhǎng)度越大，其內(nèi)部存在裂縫、缺陷的幾率也越大，但是膠接接頭膠層并不是越薄越好。但膠層厚度小到一定程度時(shí)，拉伸剪切強(qiáng)度反而隨之下降，其原因是膠層太薄時(shí)，容易產(chǎn)生缺膠，即生成了新的弱界面層和應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.2 固化溫度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)膠性能的影響

結(jié)構(gòu)膠必須通過固化過程才能產(chǎn)生強(qiáng)度，固化溫度的控制是固化過程中的重要因素，它不僅決定固化完成的程度，而且也決定固化過程進(jìn)行的快慢。本試驗(yàn)將兩種結(jié)構(gòu)膠制備成每級(jí)固化溫度條件下各6組膠接試件，膠層厚度均為1 mm，分別在室溫10℃，20℃下固化7 d后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，與在烘箱內(nèi)加熱到40℃，60℃，80℃下固化4 h后，立即取出試樣，迅速進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試進(jìn)行對(duì)比。目的是研究不同固化溫度和時(shí)間下，結(jié)構(gòu)膠的拉伸剪切強(qiáng)度和粘結(jié)抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律。

觀察力學(xué)試驗(yàn)后各組試樣破壞面發(fā)現(xiàn)，常溫固化后試樣主要發(fā)生界面粘附破壞，提高固化溫度以后，鋼片上出現(xiàn)了一部分結(jié)構(gòu)膠的毛刺，膠層上的紋路清晰縱橫交錯(cuò)，所以認(rèn)為試樣同時(shí)發(fā)生了膠層內(nèi)聚破壞和界面粘附破壞，結(jié)構(gòu)膠的性能得到了更大程度的發(fā)揮。

由圖5和圖6的試驗(yàn)結(jié)果可見，適當(dāng)提高固化溫度使強(qiáng)度值明顯提高，但是當(dāng)溫度升高后，丙烯酸酯AB膠達(dá)到60℃、環(huán)氧樹脂膠達(dá)到40℃時(shí)，結(jié)構(gòu)膠開始軟化，兩種結(jié)構(gòu)膠的抗剪強(qiáng)度和粘結(jié)抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的下降。

圖5 不同固化溫度下結(jié)構(gòu)膠的拉伸剪切強(qiáng)度

圖6 不同固化溫度下結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度

由于適當(dāng)提高固化溫度使結(jié)構(gòu)膠的浸潤(rùn)能力提高，使結(jié)構(gòu)膠與鋼片之間的接觸面積增大，充分浸潤(rùn)了鋼片表面，膠層和鋼片之間發(fā)揮了一定的機(jī)械咬合力，避免了大面積界面破壞的發(fā)生，提高了強(qiáng)度值。但是固化溫度不宜過高，過高的固化溫度會(huì)使結(jié)構(gòu)膠組分A與B反應(yīng)活性變高，交聯(lián)反應(yīng)速率過快，反應(yīng)不完全就已經(jīng)產(chǎn)生固化，造成粘結(jié)力下降。

3 結(jié)語

1)結(jié)構(gòu)膠隨著膠層厚度變大，膠層剪切強(qiáng)度和粘結(jié)抗拉強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)。但如果膠層太薄容易造成缺膠，致使膠接強(qiáng)度下降。

2)當(dāng)丙烯酸酯AB膠的膠層厚度為0.2 mm，環(huán)氧樹脂膠的膠層厚度為0.3 mm時(shí)，兩種膠的拉伸剪切強(qiáng)度分別達(dá)到最高，當(dāng)丙烯酸酯AB膠的膠層厚度為0.3 mm，環(huán)氧樹脂膠的膠層厚度為0.5 mm時(shí)，兩種膠的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到最高。

3)溫度較低時(shí)，結(jié)構(gòu)膠拉伸剪切強(qiáng)度和粘結(jié)抗拉強(qiáng)度值隨著固化溫度的提高而提高，適當(dāng)提高固化溫度有利于提高固化程度，但是過高的固化溫度會(huì)造成粘結(jié)力下降。

[1] 賀曼羅.建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑施工應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2] 唐業(yè)清，萬墨林.建筑物改造與病害處理[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000:172-210.

[3] 林 美.建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)定因素的分析[J].福建建設(shè)科技，2011(1):56-57.